3. Materiais e métodos
3.2. Metodologia experimental
3.2.2. Ensaio cíclico
Os adesivos inicialmente indicados para o estudo foram substituídos devido a dificuldade e/ou impossibilidade de importar os mesmos para o país onde os ensaios experimentais foram realizados.
A Tabela 3 apresenta os adesivos utilizados no desenvolvimento desta dissertação. Além de adesivos resistentes a temperatura, foi utilizado também o adesivo Loctite 401, que possui temperatura máxima de trabalho em torno de 80°C. Segundo o fabricante do adesivo Loctite 401, o mesmo apresentará perda do desempenho devido a degradação térmica ao atingir temperaturas superiores à 80°C. Os resultados do
26 desempenho deste adesivo serviram de parâmetro para determinar o momento onde o mesmo fenômeno acontece com os outros adesivos, cujas temperaturas máximas de trabalho são superiores à 200°C.
Os CPs 4, 5 e 6, foram instrumentados com as redes de Bragg e utilizados nos ensaios cíclicos. O método de fixação das redes de Bragg nos CPs (Figura 9) e posteriormente nos sensores P&T variam de acordo com a especificação de cada fabricante de adesivo, do modelo e aplicação do mesmo. Em todos os procedimentos de colagem, as redes de Bragg devem estar levemente tensionadas, para que, caso as mesmas apresentem deformações no sentido da compressão seja possível a realização da medição. Os níveis de tensionamento aplicados foram descritos na Tabela 6.
Outro erro de instrumentação a ser evitado realizando este procedimento, é que a rede apresente deformação no sentido da compressão suficiente para que a mesma perca o contato com os CPs e com a membrana do sensor P&T, o que acarretaria em medições que não teriam relação com as deformações mecânicas ou térmicas aplicadas nos CPs ou na membrana do sensor P&T.
Figura 9: Rede de Bragg tensionada para instrumentação.
Tabela 6: Tensionamento das redes durante a instrumentação.
Identificação FBG1 (nm)
𝜺𝟏 (μs) FBG2 (nm)
𝜺𝟐 (μs)
Fibra CP Antes Depois Antes Depois
46.840.702.764 04 1528,86873 1529,08126 175,967 1541,40741 1543,83312 1992,021 46.840.702.765 06 1528,71725 1529,35650 529,321 1541,62200 1543,45392 1504,188 46.840.702.767 05 1528,85471 1529,60378 620,198 1541,41619 1542,88357 1205,022
Os valores de deformação apresentados na Tabela 6 são provenientes da aplicação do modelo matemático fornecido pelo fabricante das redes de Bragg apresentado abaixo:
𝜀 = 106𝑥 [ (𝜆 − 𝜆0) (0,79𝑥𝜆0)]
27 O processo de posicionamento das redes de Bragg no corpo de prova, tensionamento das mesmas e o processo de cura de cada adesivo faz parte de um processo demorado e com grandes possibilidades de apresentar problemas, como por exemplo, a não adesão da FBG aos CPs ou mesmo a ruptura da rede durante o processo. Foram utilizados quatro adesivos no desenvolvimento deste trabalho, P250, M-Bond 610, Loctite 4090 e Loctite 401.
O método de fixação dos adesivos foi padronizado para atender a todos os processos. O que varia de acordo com o fabricante e modelo de cada um deles é a temperatura de cura e o tempo que a mesma deve ser submetida a este tratamento.
Após posicionar a FBG no corpo de prova e fixar a mesma com fita adesiva, o adesivo foi aplicado em uma das extremidades da zona de instrumentação da fibra. Foi utilizada uma fita de teflon para cobrir a área onde o adesivo foi depositado. Por cima desta, foi colocada uma manta de silicone e uma peça de aproximadamente 1,8 kg, garantindo que a rede de Bragg fosse totalmente apoiada no corpo de prova e que o adesivo fosse espalhado homogêneamente sobre a superfície. Dependendo do adesivo aplicado, foi realizado o tratamento térmico da instrumentação para garantir a cura total dos adesivos. Após retirar a peça de 1,8 kg, a manta de silicone e a fita de teflon, o corpo de prova foi posicionado no dispositivo apresentado na Figura 9 e a rede de Bragg foi tensionada para possibilitar a realização da instrumentação na outra extremidade da rede. Assim como apresentado nas Figuras 10 e 11.
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a) Posicionamento da rede de Bragg no CP-04 c) Posicionamento das coberturas de teflon sobre o adesivo
b) Aplicação do adesivo P250 de um lado das redes
d) Posicionamento da manta de silicone sobre a cobertura de teflon
e) Aplicação da força de 1,8 kg sobre a instrumentação para garantir a adesão da P250
Figura 10: Instrumentação do lado X dos CPs com as redes de Bragg e os adesivos selecionados.
Após a realização do procedimento descrito na Figura 10, os corpos de prova foram inseridos no forno com temperatura controlada a 220°C por um período de 6h, período este informado pelo fabricante do adesivo. Após o resfriamento das amostras, o CP-04 foi fixado no aparato apresentado na Figura 9 e tensionado. O nível de tensionamento de cada corpo de prova foi descrito na Tabela 6.
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a) CP-04 fixado no aparato de tensionamento c) Posicionamento da manta de silicone sobre a instrumentação
b) Aplicação do adesivo e posicionamento do teflon na amostra
d) Posicionamento do aparato dentro do forno
Figura 11: Continuação da instrumentação dos CPs com as redes de Bragg e os adesivos selecionados.
Ao inserir a amostra dentro do forno com o peso de 1,8 kg sobre a instrumentação, o eixo que realiza o tensionamento da rede de Bragg deve ser aliviado.
Nas instrumentações onde o tensionamento do aparato não foi realizado ocorreu a ruptura das redes de Bragg durante o processo de cura dos adesivos.
Para realizar o tensionamento das redes de Bragg foi necessário a utilização de um interrogador óptico. O LTS possui um interrogador óptico SmartScan, fabricado pela SmartFibres, porém o mesmo apresentou problemas de funcionamento antes mesmo de iniciar as instrumentações dos corpos de prova. A fim de dar continuidade ao desenvolvimento do trabalho, foi solicitado uma colaboração do LIF, que cedeu um interrogador óptico fabricado pela Micron Optics, modelo SM125 (Figura 12) para a realização dos ensaios experimentais.
30 Figura 12: Interrogador Óptico – Modelo: sm125 – Micron Optics.
Foi realizada a verificação inicial dos comprimentos de onda de cada uma das redes de Bragg adquiridas para o desenvolvimento deste estudo. A Tabela 7 apresenta os picos observados em cada uma das FBG’s.
Tabela 7: Comprimento de onda das redes de Bragg antes da instrumentação.
Identificação
FBG1 (nm) FBG2 (nm) Fibra óptica CP
46.840.702.764 04 1528,86873 1541,40741 46.840.702.765 04 1528,71725 1541,62200 46.840.702.766 06 1528,61774 1541,63047 46.840.702.767 05 1528,85471 1541,41619 46.840.702.768 06 1528,90395 1541,49723
O adesivo Loctite 401 possui base de etil cianoacrilato e é, dentre os adesivos selecionados, o que apresenta menor dificuldade de manipulação e a cura mais rápida.
O adesivo Loctite 4090 possui base de cianoacrilato e resina epoxi. O tempo de cura desta pode chegar a 168h quando mantida a temperatura de 20°C. Segundo o manual do fabricante, a cura total do adesivo pode ser atingida se o mesmo for submetido à temperatura de 40°C pelo período de 24h. Foi utilizado o forno da máquina de ensaios mecânicos do LTS para realizar a cura deste adesivo.
O adesivo M-Bond 610 possui base fenólica. Segundo a Micro Measurements, na utilização do adesivo para instrumentar sensores, o mesmo deve ser submetido à temperaturas superiores a 177°C por pelo menos 1h. Após isso, a temperatura deve ser ajustada entre 202°C e 232°C por pelo menos 2h. O procedimento adotado foi submeter
31 o adesivo a temperatura de 180°C por 1h e posteriormente a temperatura foi ajustada para 210°C por um período de 2h.
O adesivo P250 possui base epóxi-fenolica. A recomendação do fabricante HBM é realizar a cura do adesivo a temperaturas superiores a 160°C pelo período mínimo de 4:30h, acrescido de mais 1h a 180°C. Se a utilização do adesivo ocorrer em temperaturas superiores a 180°C, a cura do adesivo deve ser realizada 30°C acima da temperatura de utilização. O procedimento adotado foi submeter o adesivo a temperatura de 200°C pelo período de pelo menos 6h.
O comprimento de onda das redes após a instrumentação estão listados na Tabela 6, junto ao nível de deformação residual da instrumentação. As redes 46.840.702.766 e 46.840.702.768 foram danificadas durante a instrumentação. A Tabela 8 apresenta o resumo da instrumentação de cada fibra óptica.
Tabela 8: Identificação dos corpos de prova instrumentados.
Identificação Adesivo
Fibra óptica CP FBG1 FBG2
46.840.702.764 04 P250 Loctite 401 46.840.702.765 04 M-Bond 610 P250
46.840.702.766 06 P250 -
46.840.702.767 05 Loctite 4090 P250
46.840.702.768 06 P250 -
Ao atingir os parâmetros necessários para a cura dos adesivos e monitorar os mesmos pelo período mínimo exigido pelos fabricantes, os CPs foram submetidos a carregamentos cíclicos. Os ensaios cíclicos foram programados seguindo os parâmetros descritos na Tabela 9. O objetivo desta etapa é determinar o desempenho do processo de colagem e cura das FBGs para cada adesivo aplicado nas amostras.
Determinar o nível de deformação que pode ser aplicado aos CPs para a qual as FBGs apresentem resultados repetitivos, é importante no desenvolvimento do sensor para verificar se o mesmo apresentará baixa histerese e boa repetitividade / reprodutibilidade.
As tensões na Tabela 9 foram estimadas em função dos dados obtidos nos ensaios de tração realizados nos corpos de prova de Inconel 625, as mesmas são referentes a tensão de proporcionalidade do material testado.
32 Tabela 9: Programação de teste.
Tensão de escoamento (%)
Tensão Aplicada (MPa)
N° de ciclos
19 89 50
38 178 50
57 266 50
76 355 50
95 444 50
Os ensaios cíclicos descritos na Tabela 9 foram realizados a temperaturas controladas como descrito na Tabela 10, podendo totalizar até 1000 ciclos de carregamento com cada FBG. O objetivo desta etapa é verificar a influência da temperatura no desempenho dos adesivos e determinar qual destes apresenta melhores resultados.
Tabela 10: Temperaturas de teste.
Temperatura (°C) N° de ciclos
20 250
50 250
100 250
150 250
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